基于雙光楔的像移補(bǔ)償方法研究

禹凱等

摘要： 車載掃描凝視系統(tǒng)在掃描成像時(shí)由于轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)而引起的像移必然造成圖像質(zhì)量下降，進(jìn)而導(dǎo)致虛警率升高，要消除像移必須進(jìn)行像移補(bǔ)償。基于像移產(chǎn)生原因以及雙光楔對光束的導(dǎo)向模型，推解出因轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)而需補(bǔ)償?shù)墓庑ǖ某跏嘉恢眉靶D(zhuǎn)速度，來補(bǔ)償曝光階段引起的像移。提出了基于雙光楔的像移補(bǔ)償?shù)男路椒ā?/p>

關(guān)鍵詞： 車載掃描； 雙光楔； 初始位置及速度； 像移補(bǔ)償

中圖分類號： 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2015.03.012

Abstract： The image motion caused by the turntables rotation when vehicle scanning gaze system works leads to the increase of false alarm rate. To eliminate the image motion， image motion compensation must be conducted. Based on the cause of image motion and the model of beam steering， this paper calculates the double wedges initial position and rotational speed through the double wedge image motion compensation analysis to compensate the image motion in the exposure phase caused by the turntables rotation. This paper proposes a new method on image motion compensation based on a double wedge.

Keywords： vehicle scanning system； double wedge； motor control； image motion compensation

引言車載預(yù)警系統(tǒng)的掃描部件在對周圍環(huán)境攝影時(shí)，由于轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)使被照物體在曝光時(shí)間內(nèi)其焦平面上成的影像與感光介質(zhì)間存在相對運(yùn)動(dòng)，即產(chǎn)生像移進(jìn)而引起了成像模糊。像移的存在極大影響了相機(jī)的像質(zhì)，使圖像分辨率明顯下降，可能引起漏警率、虛警率的提高。為避免此類事故的發(fā)生，必須進(jìn)行像移補(bǔ)償來獲取高清、高精度的圖像[1]。實(shí)現(xiàn)像移補(bǔ)償?shù)募夹g(shù)途徑多種多樣，可歸納為縮短曝光時(shí)間補(bǔ)償法、機(jī)械式像移補(bǔ)償法、光學(xué)式像移補(bǔ)償法、電子學(xué)像移補(bǔ)償法、軟件補(bǔ)償?shù)葞追N方法。本文采用轉(zhuǎn)動(dòng)安裝在鏡頭前面的雙光楔，使光線移動(dòng)，使產(chǎn)生的補(bǔ)償速度與像速度相同，補(bǔ)償方向與鏡頭轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反，從而達(dá)到補(bǔ)償像移的目的。此方法屬于光學(xué)式補(bǔ)償法的范疇[2]。

像移產(chǎn)生原因本文所研究的是車載掃描凝視系統(tǒng)，在對周圍環(huán)境實(shí)施360°掃描成像時(shí)，必須對目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，因此我們選擇面陣CCD進(jìn)行感光成像。面陣CCD工作周期分為三個(gè)階段：曝光階段、幀轉(zhuǎn)移階段和電荷復(fù)位階段，而像移就產(chǎn)生在曝光階段。圖1為轉(zhuǎn)臺(tái)周掃時(shí)像移產(chǎn)生的示意圖。曝光開始時(shí)點(diǎn)A發(fā)出的光垂直入射鏡頭，在CCD上成的像在A10。曝光結(jié)束時(shí)，鏡頭隨轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)到了圖中虛線所示位置，則點(diǎn)A在CCD上成的像在A20位置，則線段A10A20就是產(chǎn)生的像移。如果知道了轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)的角速度ω和CCD的曝光時(shí)間Δt以及鏡頭焦距f，就可以算出像移量的大小s，即s=f·ω·Δt（1）光學(xué)儀器第37卷

第3期禹凱，等：基于雙光楔的像移補(bǔ)償方法研究

2基于雙光楔的像移補(bǔ)償分析首先假設(shè)所研究的掃描系統(tǒng)的視場角為φ1，在鏡頭隨轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)對周圍環(huán)境進(jìn)行掃描時(shí)，面陣CCD前后曝光得到的幀圖像必須有一定的重合率，這樣通過拼接才能得到360°的環(huán)境圖像。假設(shè)有Δφ的重合度，則CCD前后曝光之間轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)過的角度為φ2=φ1-Δφ，即轉(zhuǎn)臺(tái)每轉(zhuǎn)過φ2角度CCD曝光一次。若CCD曝光時(shí)間為Δt，則像移的產(chǎn)生就發(fā)生在這Δt時(shí)間內(nèi)，我們只需在此Δt時(shí)間內(nèi)對像移進(jìn)行補(bǔ)償即可。如圖2所示為旋轉(zhuǎn)雙棱鏡光束指向系統(tǒng)示意圖，通過改變兩光楔的光楔角、旋轉(zhuǎn)速度和初始相位，可以得到不同的掃描軌跡。國外學(xué)者M(jìn)arshall[3]在不同模式下對掃描軌跡進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)設(shè)施如圖2所示，通過改變兩光楔的轉(zhuǎn)速比M=ω1/ω2、光楔角度之比k=A1/A2、兩光楔的初始相位差，可以得到各種不同的掃描軌跡。其中，當(dāng)M=-1、k=1、=180°時(shí)的軌跡對本文的研究極為重要，如圖3所示（其中M=ω1/ω2，k=A1/A2，ω1、ω2分別為兩光楔的旋轉(zhuǎn)角速度，A1、A2分別為兩光楔的楔角）[3]。

曝光時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)引起的像移發(fā)生在水平方向，根據(jù)圖3中的參數(shù)，我們可以假定在曝光開始時(shí)，物點(diǎn)在CCD上成的像在中點(diǎn)位置，此時(shí)給定兩光楔一定的相位差及旋轉(zhuǎn)速度ω1、ω2，使在整個(gè)曝光過程中光線經(jīng)過光楔折射以后始終在CCD中心成像，這樣可以對像移進(jìn)行補(bǔ)償。當(dāng)確定了兩光楔的初始相位差及旋轉(zhuǎn)速度ω1、ω2后，可以對與光楔相連的電機(jī)進(jìn)行控制來完成像移補(bǔ)償。其實(shí)現(xiàn)過程為：在CCD曝光開始時(shí)光楔Π1和光楔Π2必須位于初始位θ1、θ2，隨后兩光楔按各自的角速度ω1、ω2旋轉(zhuǎn)，在曝光時(shí)間Δt內(nèi)對像移進(jìn)行補(bǔ)償，在曝光結(jié)束到下一次曝光開始時(shí)，光楔Π1、Π2要迅速轉(zhuǎn)到初始位置，并且速度也要達(dá)到既定的ω1、ω2。在這個(gè)過程中，我們可以使光楔加速旋轉(zhuǎn)，等接近初始位置時(shí)減速，而在達(dá)到初始位置時(shí)使角速度達(dá)到ω1、ω2，參與到下一次的補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)中；同時(shí)，我們要設(shè)計(jì)電機(jī)的速度環(huán)和位置環(huán)，使光楔的速度和位置都達(dá)到既定要求。其實(shí)，系統(tǒng)掃描的過程就是上述過程的無限重復(fù)，我們只需研究一個(gè)周期即可。旋轉(zhuǎn)雙棱鏡系統(tǒng)在曝光開始時(shí)兩光楔的初始像位θ1、θ2及旋轉(zhuǎn)速度ω1、ω2是關(guān)鍵參數(shù)，只有得出這些參數(shù)才可以對光楔進(jìn)行控制來實(shí)現(xiàn)像移補(bǔ)償。3雙光楔參數(shù)確定當(dāng)雙棱鏡系統(tǒng)對光束的偏轉(zhuǎn)角較小時(shí)，傳統(tǒng)的一級近軸近似法的計(jì)算結(jié)果與非近軸光線追跡法的結(jié)果相差較小，一級近軸近似法可用來描述出射光束的指向。假設(shè)掃描的速度為1 s一圈，則角速度為2 πrad/s，CCD曝光時(shí)間為1/100 s，則在曝光時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)過的角度為3.6°，屬于小角度范圍光束轉(zhuǎn)向，因此采用傳統(tǒng)的一階近軸近似方法進(jìn)行研究。

圖2所示模型是已知入射光線和兩光楔旋轉(zhuǎn)角度來確定光束指向，而我們所研究的是已知入射光線和出射光線，來確定兩光楔的旋轉(zhuǎn)角度，屬于一個(gè)逆過程。如圖4所示，點(diǎn)A發(fā)出的光線AA11經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)以后在CCD上成的像為A10，當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度θ=ωt（0

4結(jié)論在旋轉(zhuǎn)雙棱鏡光束指向理論的基礎(chǔ)上，提出了利用旋轉(zhuǎn)雙光楔來進(jìn)行像移補(bǔ)償?shù)男路椒?。對車載紅外掃描系統(tǒng)像移進(jìn)行了分析，并通過計(jì)算，分析出旋轉(zhuǎn)雙光楔與像移的關(guān)系，以此實(shí)現(xiàn)了像移補(bǔ)償。參考文獻(xiàn)：

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（編輯：程愛婕）